Протолитическая теория кислот и оснований находится на грани сразу двух наук - физики и химии. С ее помощью описываются свойства и природа всех оснований и кислот. Учеными они подразделяются на два класса веществ, которые взаимодействуют друг с другом.
Задача теории
Протолитическая теория кислот и оснований помогает решить важную задачу: предсказать, какие продукты образуются в результате их взаимодействия и каким образом будет протекать эта реакция. Для этого экспертами применяются количественные и качественные особенности кислоты и основания.
При этом существует несколько теорий, которые по-разному трактуют, что такое кислоты и основания. По-разному они оценивают и другие их характеристики. В конечном счете от этого зависит, каким будет результат реакции.
Концептуальные химические системы
Протолитическая теория кислот и оснований крайне популярна, когда нужно узнать, как они взаимодействуют в природе. Ее широко применяют в производственной практике и научной сфере. Теоретические знания о последствиях взаимодействия оснований и кислот определяют формирование концептуальных систем химии, влияют на всевозможные теоретические концепции практически во всех химических дисциплинах.
Эволюция знаний о взаимодействиях кислот и оснований
Протолитическая теория кислот и оснований относится к одной из фундаментальных в химии. Ключевые понятия были впервые сформулированы учеными еще XVII веке. При этом их содержание после этого многократно менялось и пересматривалось.
Английский химик XVII века Роберт Бойль полагал, что кислотами являются тела, атомы которых обладают острыми выступами, а основания - это их поры. Поэтому, по его представлениям, вся реакция нейтрализации сводится к тому, что выступы кислоты проникали в поры оснований.
Впервые теорию о кислотах и основаниях предложил французский аптекарь Никола Лемери. В 1675 году он выпустил "Курс химии", в котором подробно расписал химические и физические свойства веществ исходя из их формы и структуры. Лемери представлял себе, что кислоты обладают острыми шипами, из-за которых на коже возникают неприятные ощущения. Основания он окрестил щелочами, предполагая, что их строение пористое. В результате образуются нейтральные соли.
Уже в XVIII веке другой французский естествоиспытатель Антаун Лавуазье связал свойства кислот с присутствием в их составе атомов кислорода. Свою несостоятельность эта гипотеза продемонстрировала после того, как английский химик Гемфри Дэви и его французский коллега Жозеф Луи Гей-Люссак выявили ряд кислот, которые вообще не содержали кислорода. Среди них были галогеноводороды или синильные кислоты. При этом обнаружилось большое число кислородосодержащих соединений, которые не обладали свойствами кислот.
Современные представления
Понятие о протолитической теории кислот и оснований значительно изменилось в XIX веке. Химики стали считать кислотами только те вещества, которые способны взаимодействовать с металлами и выделять водород. К таким выводам пришел немецкий ученый Юстус фон Либих в 1839 году. Именно он считается одним из основоположников агрохимии и органической химии.
Параллельно с ним шведский минеролог Йенс Якоб Берцелиус сформулировал идею о том, что к кислотам стоит относить отрицательные оксиды неметаллов, в то время как оксиды с положительным зарядом есть основаниями. Это помогло объяснить основные свойства кислот и оснований. Именно поэтому кислотность и основность швед рассматривал как функциональное свойство соединений. Именно он впервые в мире сделал попытку предсказать конечную силу рассматриваемых нами веществ.
Основные положения протолитической теории кислот и оснований были сформулированы после выхода работ еще одного шведского химика Сванте Августа Аррениуса. В 1887 году он обобщил теорию диссоциации электричества. После нее появилась реальная возможность описать свойства кислот и оснований исходя из продуктов ионизации электролитов. А благодаря вкладу русско-немецкого химика Вильгельма Фридриха Оствальда теория была сформулирована и для слабых электролитов.
В XX веке американские ученые Кэди, Франклин и Краус обосновали теорию сольвосистем. Ее стали применять как к положениям Арруниуса и Оствальда, так и в отношении всех остальных растворителей, которые могли самодиссоциироваться.
В наши дни протолитическая теория кислот наиболее полно сформулирована датчанином Йоханнесом Николаусом Бренстедом и американцем Гилбертом Ньютоном Льюисом, который также занимался ядерной физикой и термодинамикой.
Теория Либиха
Согласно водородной теории Либиха, кислота представляет собой вещество, способное на реакции с металлами, в результате которых образуется водород. При этом понятия "основание" Либих не вводил вовсе.
Образуются в результате реакции водород и соль. При взаимодействии с сильными кислотами реакцию проявляют металлы. Сегодня теория используется только для прогнозирования взаимодействия веществ, содержащих водород, с металлами в растворителях.
Теория Аррениуса-Оствальда
Разбираясь, в чем заключается протолитическая теория кислот и оснований Аррениуса - Оствальда, отметим, что в ней кислотами считаются все вещества, которые в водном растворе образуют катионы водорода. При этом основаниями считаются только те вещества, с которыми в водном растворе получается катион металла или аммония.
В результате реакции образуются вода и соль. Наблюдается зависимость, когда сильные кислоты взаимодействуют с сильными основаниями. На основе этой теории удалось обосновать деление электролитов, а также было введено определение водородного показателя, который распространяется на щелочные среды. Также ее используют при гидролизе солей и оснований, содержащих соли. Однако все реже. Дело в том, что для этого требуются громоздкие вычисления. В то время как протонная теория намного проще.
Теория Бренстеда-Лоури
Протолитическая теория кислот и оснований Бренстеда - Лоури впервые появилась в 1923 году. Бренстед и Лоури сформулировали ее независимо друг от друга. Ученые объединили понятия кислот и оснований в единое целое.
Согласно их представлениям, кислоты - это молекулы или ионы, которые выполняют в реакции роль доноров протонов. В это же время основаниями являются только те молекулы или ионы, которые способны присоединять протоны. В этой теории кислоты и основания получили определение протолитов. В чем же суть?
Протолитическая теория кислот и оснований в химии сводится к передаче протона от кислоты к основанию. Причем в это время кислота, лишившись протона, сама превращается в основание. И может уже сама присоединить к себе новый протон. Основание в это время становится кислотой, формируя протонированную частицу.
Поэтому в любом взаимодействии рассматриваемых нами веществ участвуют две пары оснований и кислот. Бренстед называет их сопряженными. Это основные положения, которые позволяет сформулировать протолитическая теория кислот и оснований. Протолитические реакции при этом протекают двояко, потому что любое вещество, в зависимости от условий, может быть и кислотой, и основанием.
Позже Бренстед развил теорию кислотно-основного катализа, а Лоури работал над оптической активностью органических соединений.
Теория сольвосистем
Теория сольвосистем появилась при развитии идей, выдвинутых Аррениусом и Оствальдом. Чаще всего ее применяют при реакциях с протонными растворителями. Предложили ее три американца - Кэди, Франклин и Краус.
Согласно этой гипотезе, в основе всего лежит ионный растворитель. Он обладает способностью распадаться на отдельные ионы при отсутствии растворителя. В данном случае на катион и анион. Первый при этом является ионом лития, а второй - ионом лиата. Используемый в реакции протонный растворитель способен к передаче протона от любой нейтральной молекулы жидкости к другой. В результате чего образуется равное количество анионов и катионов.
Продуктом такой реакции становится растворитель и соль.
Данную теорию применяют для предсказания реакций между кислотами и основаниями в любых растворителях. Также возможно управлять данными процессами при помощи растворителя. Теория подробно описывает свойства веществ, не содержащих кислород и водород.
Теория Льюиса
В химии есть понятие "кислота Льюиса". Это ион или молекула, которая обладает свободными электронными орбиталями, на которые может принимать электронные пары. Ярким примером служат протоны - ионы водорода, а также ионы определенных металлов, некоторые соли и вещества.
Если в кислоте Льюиса нет водорода, то ее называют апротонной.
Теория Усановича
Максимально общую теорию о кислотах и основаниях в 1939 году сформулировал советский химик Михаил Усанович.
В ее основе лежат представления о том, что любое взаимодействие между кислотой и основанием приведет к реакции солеобразования. Таким образом, кислота определяется как частица, отщепляющая от себя катионы, в том числе и протоны, а также присоединяющая к себе вместо них анионы и в первую очередь электроны.
В то же время основанием является частица, которая обладает способностью присоединить к себе протон или любой другой катион. Но также может отдать электрон или анион. Принципиальное отличие от теории Льюиса состоит в том, что в основе определений "основание" и "кислота" лежит не строение их электронной оболочки, а знак заряда их частицы.
При этом в теории Усановича есть и недочеты. Главные из них - большое количество обобщений и нечеткие формулировки основных понятий. К тому же эта теория не позволяет давать количественных предсказания последствий взаимодействия кислот и оснований.
